Элемент пельтье как проверить
Перейти к содержимому

Элемент пельтье как проверить

  • автор:

Элемент Пельтье — как устроен и работает, как проверить и подключить

Принцип действия элемента Пельтье основан на эффекте Пельтье, который заключается в том, что при пропускании постоянного электрического тока через спай двух разнородных проводников, происходит перенос энергии от одного проводника спая — к другому, при этом в месте спая выделяется или поглощается тепло.

Количество выделенного или поглощенного в ходе данного процесса тепла, будет пропорционально току, времени его протекания, а также коэффициенту Пельтье, характерному для данной пары спаянных проводников. Коэффициент Пельтье, в свою очередь, равен коэффициенту термо-эдс пары, умноженному на абсолютную температуру спая в текущий момент.

И поскольку эффект Пельтье наиболее выразителен у полупроводников, то данное их свойство и используется в популярных и доступных полупроводниковых элементах Пельтье. С одной стороны элемента Пельтье тепло поглощается, с другой — выделяется. Далее мы рассмотрим это явление более внимательно.

Элемент Пельтье - как устроен и работает, как проверить и подключить

Непосредственно физический эффект Пельтье был открыт в 1834 году французским физиком Жаном Пельтье, а спустя четыре года суть данного явления исследовал русский физик Эмилий Ленц, показавший, что если стержни из висмута и сурьмы привести в плотный контакт, на место контакта капнуть воды, а затем пропустить через спай постоянный ток определенного направления, то если при первоначальном направлении тока вода превратится в лед, значит если направление тока изменить на противоположное, то этот лед быстро растает.

Тепло Пельтье

В своем эксперименте Ленц наглядно продемонстрировал, что тепло Пельтье поглощается или выделяется в зависимости от направления тока через спай.

Ниже приведена таблица коэффициентов Пельтье для трех популярных пар металлов. Кстати, эффект, обратный эффекту Пельтье, называется эффектом Зеебека (когда при нагревании или охлаждении спаев замкнутой цепи, в этой цепи возникает электрический ток).

Значение коэффециента Пельтье для различных пар металлов

Так почему же возникает эффект Пельтье? Причина в том, что в месте контакта двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая порождает контактное электрическое поле между ними.

Если теперь через контакт пропустить электрический ток, то это поле будет либо помогать прохождению тока, либо препятствовать ему. Поэтому, если ток направлен против вектора напряженности контактного поля, то источник прикладываемой ЭДС должен совершить работу, и энергия источника как раз выделяется в месте контакта, это приведёт к его нагреву.

Если же ток источника будет направлен по контактному полю, то он как бы дополнительно поддержится этим внутренним электрическим полем, и теперь поле совершит дополнительную работу по перемещению зарядов. Эта энергия отбирается теперь у вещества, что в действительности и приводит к охлаждению места спая.

Итак, поскольку мы знаем, что в элементах Пельтье используются спаи пар полупроводников, то что за процесс реализован в полупроводниках?

Все просто. Полупроводники эти отличаются уровнями энергий электронов в зоне проводимости. При прохождении электрона через место контакта данных материалов, электрон приобретает энергию, чтобы суметь перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости другого полупроводника пары.

При поглощении электроном этой энергии происходит охлаждение места контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному джоулеву теплу. Если бы вместо полупроводников в элементах Пельтье использовались чистые металлы, то тепловой эффект оказался бы настолько мал, что омический нагрев значительно превзошел бы его.

Устройство преобразователя Пельтье

В реальном преобразователе Пельтье, таком например как TEC1-12706, между двумя керамическими подложками установлены несколько параллелепипедов из теллурида висмута и твердого раствора кремния и германия, спаянных между собой в последовательную цепочку. Эти пары полупроводников n- и p-типа соединены проводящими перемычками, которые и контактируют с керамическими подложками.

Каждая пара маленьких полупроводниковых параллелепипедов образует контакт для прохождения тока от полупроводника n-типа – к полупроводнику p-типа — с одной стороны преобразователя Пельтье, и от полупроводника p-типа — к полупроводнику n-типа — с другой стороны преобразователя.

Когда ток проходит через все эти последовательно соединенные параллелепипеды, то с одной стороны все контакты только охлаждаются, а с другой — все только нагреваются. Если полярность источника изменить, то стороны поменяются ролями.

По такому принципу и работает элемент Пельтье или, как его еще называют, термоэлектрический преобразователь Пельтье, где тепло отбирается от одной стороны изделия, и переносится на противоположную его сторону, при этом создается разность температур с двух сторон элемента.

Можно даже дополнительно охлаждать нагревающуюся сторону элемента Пельтье при помощи радиатора с вентилятором, тогда температура холодной стороны станет ещё ниже. В широко доступных элементах Пельтье разность температур может достигать около 69 °C.

Для того чтобы проверить исправность элемента Пельтье, достаточно пальчиковой батарейки. Красный провод элемента присоединяется к положительной клемме источника питания, черный — к отрицательной. Если элемент исправен, то с одной стороны будет происходить нагрев, с другой — охлаждение, вы сможете почувствовать это пальцами рук. Сопротивление обычного элемента Пельтье находится в районе пары-тройки Ом.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Элемент Пельтье

Все вы знаете, что с помощью электрического тока можно нагревать какие-либо предметы. Это может быть паяльник, электрочайник, утюг, фен, различного рода обогревашки и тд. Но слышали ли вы, что с помощью электрического тока можно охлаждать? «Ну а как же, например, бытовой холодильник» — скажите вы. И будете не правы. В бытовом холодильнике электрический ток оказывает только вспомогательную функцию: гоняет фреон по кругу.

Что такое элемент Пельтье

Но существуют ли такие радиоэлементы, которые при подаче на них электрического тока вырабатывают холод? Оказывается существуют ;-). В 1834 году французский физик Жан Пельтье обнаружил поглощение тепла при прохождении электрического тока через контакт двух разнородных проводников. Или, иными словами, в этом месте наблюдалась пониженная температура. Ну и как положено в физике, чтобы не придумывать новое название этому эффекту, его называют в честь того, кто его открыл. Открыл что-то новое? Отвечай за базар)). С тех пор зовется такой эффект эффектом Пельтье.

Ну и как тоже ни странно, элемент, который вырабатывает холодок, называют элементом Пельтье. Элемент Пельтье — это термоэлектрический преобразователь , принцип действия которого основан на эффекте Пельтье — возникновении разности температур при протекании электрического тока. В англоязычной литературе элементы Пельтье обозначаются TEC (от англ. ThermoElectric Cooler — термоэлектрический охладитель).

Практический опыт с элементом Пельтье

Выглядеть он может по-разному, но основной его вид — это прямоугольная или квадратная площадка с двумя выводами. Сразу же отметил сторону «А» и сторону «Б» для дальнейших экспериментов

12 недорогих наборов электроники для самостоятельной сборки и пайки

Моя личная подборка конструкторов с Aliexpress «сделай сам» для пайки от простых за 153 до 2500 рублей. Дочке 5 лет — надо приучать к паяльнику))) — пусть пока хотя-бы смотрит — переходи посмотреть, один светодиодный куб чего только стоит

элемент пельтье

Элемент Пельтье

Почему я пометил стороны?

Вы думаете, если мы просто тупо подадим напряжение на этот элемент, он у нас будет полностью охлаждаться? Не хочу вас разочаровывать, но это не так… Еще раз внимательно читаем определение про элемент Пельтье. Видите там словосочетание «разности температур»? То то и оно. Значит, у нас какая-то сторона будет греться, а какая-то охлаждаться. Нет в нашем мире ничего идеального.

Для того, чтобы определить температуру каждой стороны элемента Пельтье, я буду использовать мультиметр, который шел в комплекте с термопарой

Элемент Пельтье

Сейчас он показывает комнатную температуру. Да, у меня тепло ;-).

Для того, чтобы определить, какая сторона элемента Пельтье греется, а какая охлаждается, для этого цепляем красный вывод на плюс, черный — на минус и подаем чуток напряжения, вольта два-три. Я узнал, что у меня сторона «А» охлаждается, а сторона «Б» греется, пощупав их рукой. Если перепутать полярность, ничего страшного не случится. Просто сторона А будет нагреваться, а сторона Б охлаждаться, то есть они поменяются ролями.

Пока ты тут, узнай что такое твердотельное реле ! Это бесплатно.

Итак, номинальное (нормальное) напряжение для работы элемента Пельтье — это 12 Вольт. Так как я подключил на красный — плюс, а на черный — минус, то у меня сторона Б греется. Давайте замеряем ее температуру. Подаем напряжение 12 Вольт и смотрим на показания мультиметра:

элемент пельтье

77 градусов по Цельсию — это не шутки. Эта сторона нагрелась так, что когда ее трогаешь, она обжигает пальцы.

Поэтому главной фишкой использования элемента Пельтье в своих электронных устройствах является большой радиатор. Желательно, чтобы радиатор обдувался вентилятором. Я пока что взял радиатор от усилителя, который дали в ремонт. Намазал термопасту КПТ-8 и прикрепил элемент Пельтье к радиатору.

Подаем 12 Вольт и замеряем температуру стороны А:

элемент пельтье

7 градусов по Цельсию). Когда трогаешь, пальцы замерзают.

Но также есть и обратный эффект, при котором можно вырабатывать электроэнергию с помощью элемента Пельтье, если одну сторону охлаждать, а другую нагревать. Очень показательный пример — это фонарик, работающий от тепла руки

Потребляемая мощность элемента Пельтье

Элемент Пельтье сам по себе считается очень энергозатратным. Регулировка температуры его сторон достигается напряжением. Чем больше напряжение, тем большую силу тока он потребляет. А чем больше силы тока он потребляет, тем быстрее набирает температуру. Поэтому, можно регулировать холодок, тупо меняя значение напряжения).

Вот некоторые значения по потреблению электрического тока элементом Пельтье:

Элемент Пельтье

При напряжении в 1 Вольт он кушает 0,3 Ампера. Неплохо)

Повышаю напряжение до 3 Вольт

Элемент Пельтье

Кушает уже почти 1 Ампер.

Повышаю до 5 Вольт

Элемент Пельтье

Чуть больше полтора Ампера.

Даю 12 Вольт, то есть его рабочее напряжение:

Элемент Пельтье

Жрет уже почти 4 Ампера! Грабеж).

Давайте грубо посчитаем его мощность. 4х12=48 Ватт. Это даже больше, чем 40 Ваттная лампочка, которая висит у вас в кладовке). Если элемент Пельтье такой прожорливый, целесообразно ли из него делать бытовые холодильники и холодильные камеры? Конечно же нет! Такой холодильник у вас будет жрать Киловатт 10 не меньше! Но зато есть один маленький плюс — он будет абсолютно бесшумен :-). Но если нет никакой возможности, то делают холодильники даже из элементов Пельтье. Это в основном мини холодильники для автомобилей. Также элемент Пельтье некоторые используют для охлаждения процессора на ПК. Получается очень эффективно, но по энергозатратам лучше все-таки ставить старый добрый вентилятор.

Где купить элемент Пельтье

На Али можно найти даже мини-кондиционер из элемента Пельтье вот по этой ссылке.

элемент пельтье

На Али этих элементов Пельтье можете выбрать сколь душе угодно!

Что такое элемент Пельтье

В 1834 году французский физик Жан Шарль Пельтье в ходе своих исследований электричества открыл явление термоэлектрического эффекта. Сфера его использования ограничивалась несколькими небольшими приложениями вплоть до настоящего времени, когда подобный принцип начинает использоваться все чаще.

Пельтье и схема его экспериментальной установки

Пельтье и схема его экспериментальной установки

Суть эффекта Пельтье

В ходе своих исследований Пельтье заметил, что при пропускании электрического тока через цепь, состоящую из различных материалов, но при одинаковой температуре спаев, возникает эффект, обратный эффекту Зеебека (термоэлектрическому эффекту). При этом тепло поглощается на одном переходе и выделяется на другом. Охлаждающаяся часть обычно имеет температуру около 10 градусов, в то время как поглощающий тепло участок может быстро нагреться до 80 градусов.

Еще более интересным является тот факт, что при изменении полярности источника питания порядок действия меняется на противоположный, то есть, поверхность раньше охлаждавшаяся начинает нагреваться, а поверхность, раньше вырабатывавшая тепло, начинает вырабатывать холод.

Структурная схема элемента

Структурная схема элемента

Выработанное тепло Qп (положительное или отрицательное, т. е., холод), согласно экспериментальным данным, пропорционально току через цепь I, времени пропускания тока t и характеризующего контактирующие материалы и их температуру коэффициента Пельтье. Чтобы вычислить это тепло, можно воспользоваться формулой:

Определение выработанного тепла

Определение выработанного тепла

Что такое элемент Пельтье

Термоэлектрические элементы, принцип работы которых основывается на эффекте Пельтье, состоят из двух полупроводниковых материалов с проводимостью n-типа и p-типа. Вместе их соединяет медная пластина. Если подключить положительную полярность источника питания к материалу с n-проводимостью а отрицательную — к материалу с p-проводимостью, то верхняя часть медной пластины начнет охлаждаться, а нижняя нагреваться.

Если полярность питания, поступающего на элемент или ячейку Пельтье, поменять на обратную, то есть, отрицательную полярность подать на материал n-проводимости, а положительную на материал p-проводимости, функции нагрева/охлаждения меняются местами: верхняя часть нагревается, а нижняя охлаждается.

Элементы Пельтье объединяются в модули с целью увеличения мощности нагрева или охлаждения устройства. Их КПД обычно составляет 30–50%.

Модуль Пельтье

Модуль Пельтье

Характеристики элементов Пельтье

На современном рынке представлено много разновидностей элементов Пельтье, но все они имеют такие характеристики, как:

  • холодопроизводительность;
  • максимальная разность температур между сторонами;
  • рабочий ток, обеспечивающий необходимую разность температур;
  • напряжение, при котором через устройство протекает рабочий ток;
  • омическое сопротивление устройства;
  • коэффициент эффективности или КПД (отношение мощности, необходимой для охлаждения к потребляемой электрической мощности).

Как и все в этой жизни, элементы Пельтье также имеют некоторые недостатки, которые необходимо учитывать. Одно из их негативных свойств — высокое потребление электричества. В зависимости от температуры и влажности окружающей среды на устройстве может образовываться конденсат, а при определенных условиях даже лед.

Где применяется

Практическое применение элемента Пельтье безгранично, поскольку существует множество приложений, работающих одновременно и на охлаждение, и на нагрев. Благодаря огромному прогрессу в области полупроводников, в настоящее время создаются устройства, в которых применяется эффект Пельтье, размером с монету.

Внешний вид одного из элементов

Внешний вид одного из элементов

Элемент-охладитель размером несколько миллиметров обеспечивает мощность охлаждения до 0.5 Вт. Другими словами, для достижения мощности охлаждения холодильника в 15–20 ватт требуются батареи, состоящие как минимум из 30 или 40 элементов. Фактически, подключение большого количества элементов увеличивает излучающую поверхность и, следовательно, мощность охлаждения. Таким образом, и размер, и получаемая мощность нагрева зависят от количества подключенных элементов, используемых в модуле.

Элементы или модули Пельтье используются чаще для охлаждения, чем для нагревания. Для нагрева больше подходят электрические резисторы, которые гораздо эффективнее справляются с этой задачей, чем элементы Пельтье. Последние лучше применять для выработки холода, поскольку малый размер элементов делает их идеальной заменой дорогому и громоздкому охлаждающему оборудованию, требующему для работы специальные газы или жидкости.

Еще одно из применений — охлаждение процессора на материнских платах, т. е., использование в качестве кулера.

Термоэлектрический охладитель

Термоэлектрический охладитель

Проверка элементов Пельтье

Проще всего можно протестировать устройство, используя принцип его действия, то есть, пропустите через него электрический ток и рукой проверьте нагрев одной стороны и охлаждение другой.

Можно проверить работоспособность элемента, основываясь на обратном эффекте Зеебека. В этом случае следует подключить к элементу мультиметр. Его показания после подключения должны быть нулевыми. Если теперь провести горящей зажигалкой по одной из сторон устройства, то мультиметр должен показать наличие электрического тока.

Разновидности популярных модулей Пельтье

На площадках современных интернет-магазинов можно встретить самые разные термоэлектрические модули Пельтье. Отличаются они друг от друга температурными характеристиками, электрическими параметрами, размером, а также количеством термопар, установленных внутри модуля. Данные модули применяются как в портативных холодильниках и кондиционерах, так и в любительских поделках.

Стоит отметить, что модули Пельтье бывают однослойными и многослойными, так что вопрос монтажа решается достаточно свободно. В рамках данной статьи мы рассмотрим несколько видов наиболее распространенных термоэлектрических модулей Пельтье, разберемся в их устройстве и сравним параметры.

Разновидности популярных модулей Пельтье

Здесь изображен типичный однослойный термоэлектрический модуль Пельтье. Две керамические пластины (из оксида алюминия) толщиной менее 1 мм установлены в верхней и в нижней части модуля. Они, подобно печатной плате, служат опорой для внутренних термопар и каркасом для всего модуля.

Керамические пластины обладают высокой теплопроводностью, отличаются прочностью и огнестойкостью. К данным пластинам приклеены медные подложки, к которым припаяны полупроводниковые термопары, соединенные последовательно.

Однослойный модуль TEC1-12705

Пайка полупроводниковых термопар, при промышленном производстве модулей Пельтье, осуществляется легкоплавким припоем на специальном оборудовании при температуре в районе 145 ºC, так как полупроводниковые элементы не допускают перегрева. В результате модули получаются неразборными, а по краям обычно наносится силиконовый герметик.

Если любопытства ради все же разобрать такой модуль, то можно четко разглядеть кубики разнородных полупроводников (n-типа и p-типа), припаянные к медным подложкам, и соединенные друг с другом в последовательную цепь змейкой. Легко заметить, что сначала на медные подложки был нанесен легкоплавкий припой, а затем установлены составные части термопар.

Модуль Пельте в разобранном виде

В таком исполнении как на приведенном фото, получается 127 p-n- и 127 n-p-переходов, причем все n-p-переходы (для направления тока от плюса к минусу) расположены с одной стороны модуля, а все p-n-переходы — с другой его стороны.

На тех медных шинках где ток идет в направлении n-p-перехода, теплота поглощается (происходит интенсивное охлаждение данной стороны модуля), а там где ток идет в направлении p-n-перехода — эта же (теоретически) теплота выделяется. Таким образом модуль Пельтье переносит тепло с одной керамической пластины — на противоположную.

Элементы Пельтье

Наиболее популярный однослойный модуль TEC1-12705, стоимостью порядка $2, пользуется особым спросом на алиэкспресс. Габаритные размеры модуля 40 на 40 мм, толщина 3,8 мм. 127 соединенных последовательно термопар дают при температуре окружающей среды в 25ºC внутреннее сопротивление модуля от 2,5 до 2,8 Ом.

Рабочий ток устройства составляет от 4,3 до 4,6 А при питании номинальным напряжением 12 вольт. Максимально же допустимое напряжение составляет 15,4 вольта при критическом токе в 5,8 А. Предельно достижимая разница температур составляет 65 ºC, а максимальная холодильная мощность 42 Вт. Диапазон рабочих температур модуля — от -55 до 83 ºC.

Термоэлектрический модуль TEC2-25408

А вот и двухслойный модуль TEC2-25408, состоящий по сути из двух модулей TEC1-12704, соединенных параллельно, но имеющий размеры 40 на 40 мм и толщину 8 мм. Такой двухслойный охладитель способен дать до 70 Вт холодильной мощности при потреблении 96 Вт электрической мощности.

Его внутреннее сопротивление в выключенном состоянии равно примерно 1,5 Ом. Предельно достижимая разница температур в рабочем режиме составляет 65 ºC. Очевидно, при одной и той же предельной разнице температур с модулем TEC1-12705, двухслойный модуль TEC2-25408 будет охлаждать (перекачивать тепло) в полтора раза быстрее.

Четырехслойный модуль TEC4-24603

Далее представлен четырехслойный модуль TEC4-24603 толщиной 13,6 мм и шириной 40 мм, рассчитанный на напряжение 14,6 вольт и номинальный ток в 3 А. При потребляемой электрической мощности в 44 Вт, данный модуль способен обеспечить холодильную мощность 6,8 Вт и разницу температур до 107 ºC.

Термоэлемент Пельтье TEC4-24603

Составные элементы включены здесь последовательно. Как и любой модуль Пельтье, данная четырехслойная модель не допускает применения без радиатора более секунды.

Шестислойный модуль Пельтье TEC6-60506

Наконец, шестислойный модуль Пельтье TEC6-60506, рассчитанный на номинальное напряжение 30 вольт и ток 6 А. При ширине в 62 мм и толщиной 23 мм, данный модуль электрической мощностью 180 Вт способен обеспечить разницу температур до 100 °C с холодильной мощностью в 10 Вт. Модуль такого типа применим в установках, предназначенных для глубокой заморозки.

Андрей Повный, редактор Электрик Инфо

  • В чем отличие сетевого фильтра от удлинителя
  • Светодиодные лампы FILAMENT — устройство, виды, характеристики достоинства и недостатки
  • Характеристики солнечных батарей

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрообзоры

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика

Поделитесь этой статьей с друзьями:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *